某型发动机空中起动故障分析

马燕荣，马明明

（中国飞行试验研究院，西安 710089）

1 引言

航空发动机空中起动性能检查是其飞行试验的重要科目之一。某型中等推力涡扇发动机有3种空中起动方式：（1）当高压压气机转速下降到50%以下时，无需飞行员操作，在空中自动迎面起动；（2）当高压压气机转速下降，或是在风车状态时，需飞行员操作在空中自动起动；（3）发动机空中手动（应急）起动。为了检查该型发动机在飞行条件下的使用性能，在飞行台上进行了试飞。

本文就此型发动机在飞行台试飞过程中空中起动出现的故障进行分析研究。

2 故障现象

发动机在飞行台上高度Hp约为8 km，速度Vi约为400 km/h进行加速和空中起动试验，在试验过程中，当发动机慢车3～5 min后拉停，按要求准备进行自动迎面起动。当高压转速n2下降到38%左右时，将油门杆推至慢车位置，进行空中自动起动后，发动机高、低压转速迅速n2、n1迅速上升至约74%和40%，其排气温度T4也随之持续上升，当n2到达慢车转速时，表明发动机机空中自动起动成功；3 min后将发动机拉停，当n2下降到约40%时，油门杆推至慢车位置，进行第2次空中自动起动，n2、n1迅速上升至74%和40%左右时，其T4持续上升，第2次空中自动起动成功；约3 min后，将发动机再次拉停，进行第3次空中自动起动，当n2下降到37%左右时，将油门杆推至慢车进行起动，n2、n1上升至74%和40%左右后稳定，此时，T4继续上升，并没有下降的趋势，而且n1有些偏低，因此，尝试推油门杆后，发现转速未变，T4继续上升，连续收、推油门杆，转速无变化，而T4继续上升，当T4升到约768℃时，立即停止试验。

3 故障分析

发动机在8 km进行空中自动迎面起动试验时，相关参数随时间变化情况如图1所示。

由图 1（a）可见，当油门杆收到停车位后，发动机转速n、T4和油路压力Pfse迅速下降，尾喷管临界截面面积Ae放至最大，当n2下降到试验要求的范围内，油门杆推至慢车位置，T4持续上升。还可以看出，在试验前稳定平飞阶段，n2、n1分别稳定在75%和51%左右，试验后，其n2、n1分别稳定在74%和40%左右。也就是说，相对于发动机空中起动试验前稳定平飞状态，n2变化不明显，n1明显下降，即发动机空中起动后，n2、n1转差明显变大（试验前稳定平飞，n2－n1＝24%；空中起动后转速稳定，n2－n1＝32%～34%）；从图中还发现，在空中起动开始（8 km慢车状态平飞）时，Ae处于较小状态，将油门杆收到停车位后，尾喷口放到最大位置，此后在8 km连续进行的3次空中自动迎面起动试验过程中，Ae始终保持在最大状态，没发生任何变化。

此次发动机空中起动故障只是发生在第3次自动迎面起动过程中，但是从图 1（a）可见，在发动机在起动过程中，Ae处于最大位置不变，温度上升过高，n1较低。由此可以认为，发动机在8 km高度的3次空中迎面自动起动中，工作均不正常，当进行前2次空中起动试验时，n2到30 s左右时，并未发现发动机工作不正常，因此，在判断第1次起动成功后，继续进行了第2、3次空中起动。

由图 1（b）可见，在发动机空中自动迎面起动中，高压压气机出口与进口压比p2/p1）在上升的过程中出现了1个明显的下降波动，而下降后再次上升的斜率明显要小于波动前的；n2上升曲线比较平滑，n1则出现了明显的平直段，然后再次上升的斜率明显的小于平直段前；T4也出现微小的波动，但上升率无明显的变化。

从故障现象上看，温度上升很高，转速不变，应该是“热悬挂”现象。由发动机相关参数变化（图1（b））分析，在发动机起动过程中，高压压气机压比p2/p1在增大过程中出现明显的减小，可能是由于燃油供油过多，造成高压压气机失速，高压出口压力减小，而低压出口的压力增大，发动机自动加速起动器感受高压压气机后压力和舱压，舱压不变，高压压气机压力减小后燃油供油也降低。但由于高压压气机出现失速，进入燃烧室的空气流量减少要多于供油量的减少，所以仍处于富油燃烧。由于此时高温燃气已经在涡轮发生堵塞，导致涡轮后总压上升很慢，造成落压比增加缓慢，最终达不到Ae进行调节的范围。而在整个起动过程中，虽然涡轮总膨胀比较小，但相对对高压涡轮影响小，对低压涡轮影响大，而此时高压压气机已出现失速，高压转子的剩余功率较大，转速上升快，低压转速的剩余功率小，转速上升慢，反映在数据上，就是转速稳定后，相对与惯性起动前发动机慢车状态，低压转速下降多，高压转速变化不明显，造成转差明显变大。

当高压压气机处于失速状态时，在冷运转状态下，发动机停车后通道热阻减少，通道气流速度和空气流量增加，分离区慢慢解体和消除。发动机在空中试验过程中油门秆动作时其相关参数变化情况如图2所示。从图2（b）可见，将油门杆拉停后，高压压气机压力突升，压比突增，然后才随着发动机停车减小。但接下来又继续将油门杆推到慢车起动，整个过程与第1次基本上一致，发动机仍出现了不稳定的状态。随着发动机拉停后，进行第3次空中起动，其T4明显高于该高度慢车稳定状态下的T4，判断发动机可能出现故障，推油门杆，但转速没变化，温度继续上升;从图 2（a）可见，推油门杆，高、低压压气机出口压力降低，压气机增压比减小，发动机转差增大；收油门杆，高、低压压气机出口压力升高，增压比增大，发动机转差减小，转差的变化与压比变化明显相反。由此，随着油门杆的增加，失速深度增大，导致压比减小，转差变大，而当油门杆的减少使热燃气对涡轮的堵塞变小，高压压气机后的压力升高，增压比增大，失速微团减少，转差变小。最终由于发动机T4上升过高，收油门杆停车。

在飞行台试飞改装过程中，需要将测试采集到的高度Hp信号送入发动机的控制器，控制器根据高度（6 km为门槛）对空中起动的供油进行调整，也就是说在高度6 km以上，在发动机空中起动过程中，控制器给出信号执行减油，待发动机起动成功后，再恢复到正常的供油规律。因此，由于高度信号输入的不正确或控制器没有接收到正确的高度信号，8 km惯性起动试验中并没有按照设计进行切油，仍然按6 km以下起动供油，造成在起动过程中供油过多，导致发动机处于不正常的工作状态。

4 故障排除

为了验证此次发动机空中起动故障引起的原因，在接下来的发动机空中起动试验中，在出现故障的试验点，采用了接通“空中起动”开关来实现发动机空中手动起动的方式（在进行此方式空中起动时，由飞机系统的EMMC接通起动自动调节器电磁阀，以实现对高度6 km以上空中起动过程修正向主燃烧室的供油）。

在高度为8km、速度400km/h时，进行空中手动起动，发动机工作状态正常。

前2次试验数据如图3所示。图中曲线1表示按手动起动的方式进行空中起动的副油路压力，曲线2表示起动失败时副油路压力，从图3可见，在手动起动中，副油路出现明显的切油现象。

试验结果和试验数据比较表明，该型发动机空中起动不成功的原因在于在起动过程中供油没进行高空修正，导致燃油量过高，涡轮出口压力出现突升，压力波向前传，使高压压气机失速，发动机排气温度过高，其转速出现“热悬挂”现象。

5 结论

在某型发动机飞行台8 km空中起动试验过程中，发动机工作不正常主要的原因在于起动过程中供油没进行高空修正，造成燃油量过高，导致发动机排气温度过高，进而转速出现“热悬挂”现象。

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